電子回路基礎
アナログ電子回路・デジタル電子回路の基礎と応用
月曜2時限目教室：D205
天野英晴
hunga＠am.ics.keio.ac.jp
講義の構成
第１部アナログ電子回路
(4/7, 4/14, 4/21, 5/12, 5/19)
1 ダイオードの動作と回路
2 トランジスタの動作と増幅回路
3 トランジスタ増幅回路の小信号等価回路
4 演算増幅器の動作
5 演算増幅器を使った各種回路の解析
講義の構成
第2部デジタル電子回路
(5/26, 6/2, 6/9:まっちゃん, 6/16, 6/23：まっちゃん, 6/30, 6/30, 7/7, 7/14)
6 ディジタル回路とは？ CMOSの基本回路
7 CMOSの動作原理とレイアウト
8 CMOSの静特性と動特性
9 BJTを使ったディジタル回路
10 特殊な入出力
11 フリップフロップの動作原理、基本回路
12 フリップフロップの動特性とStatic Timing Analysis
13 メモリ回路
14 FPGA設計
15 ASIC設計
講義資料
• 参考書
高橋進一，岡田英史共著，培風館，｢電子回路」
天野英晴、コロナ社「ディジタル設計者のための電子
回路」
• 講義で使う電子資料：
http://www.am.ics.keio.ac.jpで配布
• 演習の結果はkeio.jpで公開
コンピュータ実習（重野先生）
からの伝言
• コンピュータ実習では，第一回からMSWindows等で実習を行います．
• アカウントやパスワードの確認し，ログインで
きるように準備しておいてください．
• パスワードが分からない場合は，ITCの窓口
で，パスワードのリセットを依頼できます．
第１部アナログ電子回路
講義予定
０．電子回路を学ぶ前に
テキスト1章
１．ダイオードの動作と回路
テキスト2章
２．トランジスタの動作と増幅回路
テキスト3章
３．トランジスタ増幅回路の
小信号等価回路
４．演算増幅器の動作
テキスト4章
テキスト5章
５．演算増幅器を使った各種回路の解析テキスト5章
０．電子回路を学ぶ前に
• 関連科目と電子回路の関連
• 情報機器の基盤技術：電子回路
• アナログとディジタル
– 連続と離散
• 素子と回路
– 自由と拘束
• 線形と非線形
– 理想と現実
• 電気回路と電子回路の基礎
関連科目と電子回路の関連
電荷
空間
空間に分布
素子に集中
電磁気学

 dV 
抵抗
電界
表面
 divEdS
i 
1
v
R
線型
電気回路
コンデンサ
q 
 idt
 Cv
非線型
電子回路
アナログ
ディジタル
ダイオード
トランジスタ
演算回路
LSI
論理回路
素子
情報機器の基盤技術：電子回路
オーディオアンプ
トランジスタ
ダイオード
オペアンプ
（演算増幅器）
アナログ波形
アナログとディジタル
連続と離散
連続な電圧変化
x
x
+v
離散的な電圧計測値
標本化
x (t )
-v
連続な電圧値
x7
+v
xk
x7
x6
x6
x5
x5
x4
x4
x3 t
x3 t
x2
x2
x1
x1
x0
x0
-v
量子化
8種類の電圧値
なぜアナログを？
• 本当はディジタルの方が簡単なのでそちらを
先にやりたい
• 基本的にアナログ電子回路は電子工学科の
領分
• 今、何でもディジタルなのに、なぜアナログを
？
– 計算機基礎との関係、論理設計をやってからの方
がディジタル回路の解説がうまく行く
– 今はやりはミックスドアナログ・ディジタル
– 日本半導体の一部はこれで生きようとしている
Network IF
MIPS CPU
Core
TEG
TCI Tx
TCI Rx
Host CPU Chip
Network IF
8x8 PE Array
m-Controller
Host C
TCI
Rx
Tx
Tx
Rx
Accelerator Chip
Microphotograph of stacked test chips.
Accelerato
Accelerato
Accelerato
Host CPU + Accelerator x3 Chip Stack
Fabricated in 65nm CMOS
素子と回路
• 自由と拘束
i 
1
i
v
R
R
v
E
q 
 idt
 Cv
C
i
q
v
q
v E
E  v R  vC  R
i
v
dq
dt

1
C
q
線形と非線形
• 理想と現実
i
i
範囲
v
v
線形と非線形
• 理論式と実験結果
i
i
i  a  bv  cv
i  av
i  bv  dv
2
 dv
3
3
v
v
i  i(v )
i  i(v )
D
2


v
( i ( v )  av )
2
電気回路と電子回路
• 電気回路の基本的性質
• 電気回路素子の性質
• インピーダンス
キルヒホフの法則
交流と直流
電圧源・電流源
基本電気回路素子の性質
各素子のインピーダンス
回路素子の直列・並列接続
1. ダイオードの動作と回路
•
•
•
•
•
半導体の動作原理
ダイオードの動作
ダイオード回路
バイポーラトランジスタの動作
電界効果トランジスタの動作
真性半導体
• 例：シリコン
– 自由電子数＝正孔数
不純物半導体（ｎ型半導体）
• 5価の不純物としてヒ素ＡｓをＳｉに混入
– 自由電子が発生
（ドナー）
不純物半導体（ｐ型半導体）
• ３価の不純物としてホウ素ＢをＳｉに混入
– 電子が不足し正孔が発生
（アクセプタ）
ダイオード
• ｐｎ接合（ｐ型半導体とｎ型半導体の接合）
ダイオードの動作（電圧未印加）
＋正孔（＋）
ー電子（－）
空乏層にはキャリア（正孔や電子）が存在しない
ダイオードの動作（電圧印加）
Ｐ型半導体
Ｎ型半導体
多数キャリア（ｐ型における正孔，
ｎ型における電子）が移動し，電流
として流れる
Ｐ型半導体
Ｎ型半導体
尐数キャリア（ｐ型における電子，
ｎ型における正孔）の移動はあるが，
数が尐ないため電流にはならない
ダイオードの電流－電圧特性
VTH ≒0.7V
ダイオード回路
E  V D  V R  V D  RI
ID 
E
R

1
R
E-ID特性は？
VD
D
ダイオード特性
理想
近似
if VD ≧ 0, ON
if VD ≧ 0.7, ON
(VD =0.7, ID>0)
(VD =0, ID>0)
If VD ＜ 0, OFF If VD ＜ 0.7, OFF
(VD <0, ID=0)
(VD <0.7, ID=0)
現実
ダイオード回路の特性
流れる
ID 
流れない
ID 
1
E
1

R
R
VD
ID 
E
R
ID
E
( E  0 .7 )
R
ID
ID
理想
1
現実
E
近似
E
現実ダイオード特性による
ダイオード回路解析
ID 
E
R

1
R
回路の特性
VD
ダイオードの特性
連立方程式
－
で、特に指定の無い限り、近似ダ
イオードと考えておけば十分
回路の特性
ID 
E
1

R
R
VD
ダイオードの特性
if VD ≧ 0.7, ON
(VD =0.7, ID>0)
If VD ＜ 0.7, OFF
(VD <0, ID=0)
E-ID特性
ID 
1
R
( E  0 .7 )
ダイオードを利用した回路例
リミッタ回路
ダイオードを利用した回路例
整流回路
電圧の振幅（最大値）：V
1.4V
電流の最大値：(V-1.4)/R
身の回りのダイオード
• LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)
発光ダイオード
• 順方向電流を流すことで発光
• 通常のダイオードよりON電圧が高い
2.1V－3.5V
• 赤が一番簡単で安い、黄、緑、青の順に難
しくなり、高くなる
• 中村修二さんによる高輝度青色発光ダイオ
ードの発明の話は有名だよ！知っておこう
• 発光ダイオードを明るく光らせるためにはど
うすればよいか？
• 発光ダイオードを直接電源につないだらどう
なるか？
電流が流れれば0.7V低下する
Vcc
0.7VでON
Vcc
R
ON
R
Y
Y＝0.7V
R
VY
VY
0.7V
I
0.7V
Vcc
I=(Vcc-0.7)/R
Vcc
I
VY=(Vcc-0.7)/2+0.7
VY=Vcc
Vcc
I=(Vcc-0.7)/2R
問題：
R,ダイオードに流れる電流 I と、直流電源電圧Eの関
係をグラフにしなさい。図ではダイオードが２つだが、
ダイオードが１つの場合と２つの場合について答えな
さい。ただし，閾値電圧0.7Vの近似ダイオードとする.
R1
E
1k
E
5V
1.2k
R2

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